Wentylacja kopalń jest jedną z ważniejszych dziedzin nauk górniczych. Ma ona istotny wpływ na bezpieczeństwo pracy górników, dlatego też angażuje wielu praktyków i ludzi nauki. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat służby wentylacyjne kopalń wyposażono w nowoczesny i precyzyjny sprzęt wykorzystujący czujniki metanometrii automatycznej, CO-metrii automatycznej i anemometrii, a także w aparaturę do indywidualnego pomiaru składników atmosfery kopalnianej. W tym też czasie odbywały się i nadal odbywają się badania naukowe, których celem jest rozwiązywanie problemów dotyczących wentylacji kopalń. Stworzono specjalne forum, na którym omawiane są efekty tych badań i wytyczane są kierunki dalszych badań. Celem niniejszej publikacji jest ujęcie, w możliwie skromnej objętościowo pozycji, najistotniejszych informacji z zakresu wentylacji kopalń. Jest to wiedza niezbędna do zaliczenia tego przedmiotu podczas studiów na kierunkach górniczych wyższych uczelni, a także, po zdobyciu odpowiedniego doświadczenia w kopalni, niezbędna do pracy w dziale wentylacji, a w szczególności na stanowisku inżyniera wentylacji. Na końcu każdego rozdziału została zamieszczona literatura umożliwiająca poszerzenie wiedzy dotyczącej omówionych zagadnień.
- Spis treści
-
Od autorów 13
1. Wentylacja kopalń – zasady ogólne 15
1.1. Cel wentylacji wyrobisk górniczych 15
Literatura 192. Przewietrzanie – najważniejsze przepisy 20
Literatura 253. Charakterystyka głównych składników powietrza kopalnianego 26
Literatura 344. Metody i przyrządy pomiarowe do wyznaczania parametrów wentylacyjnych 35
4.1. Wstęp 35
4.2. Metody pomiaru zawartości gazów w powietrzu 36
4.2.1. Pomiar zawartości gazów wybuchowych 36
4.2.2. Pomiar zawartości gazów toksycznych 36
4.3. Przyrządy do pomiaru stężenia gazów w powietrzu 38
4.3.1. Pomiar zawartości tlenu 38
4.3.2. Tlenomierze 40
4.3.3. Metanomierze 41
4.3.3.1. Metanomierze interferencyjne 43
4.3.3.2. Metanomierze katalityczne 44
4.3.4. Przyrządy do pomiaru stężenia innych gazów 47
4.3.5. Eksplozymetry 49
4.3.6. Wykrywacz gazów WG-2M 51
4.4. Analiza chemiczna składu gazów 54
4.5. Pobieranie próbek powietrza do analizy chemicznej w laboratorium 57
4.6. Pomiar prędkości przepływu powietrza 59
4.6.1. Wstęp 59
4.6.2. Pomiar prędkości z wykorzystaniem rurek spiętrzających 60
4.6.3. Pomiar prędkości powietrza anemometrami 61
4.6.3.1. Anemometry mechaniczne 62
4.6.3.2. Anemometry kalorymetryczne 66
4.6.3.3. Anemometry laserowe 68
4.6.3.4. Termoanemometry 69
4.6.4. Wyznaczanie natężenia przepływu powietrza 70
4.7. Pomiar ciśnienia i różnicy ciśnień 72
4.7.1. Wstęp 72
4.7.2. Pomiar ciśnienia bezwzględnego 72
4.7.2.1. Barometr 73
4.7.2.2. Baroluks 73
4.7.2.3. Mikrobarometr Askania Gb-5 74
4.7.3. Przyrządy do pomiaru różnicy ciśnień 76
4.7.3.1. Wstęp 76
4.7.3.2. Manometr typu U-rurka 76
4.7.3.3. Manometr z rurką pochyłą 77
4.8. Sondy do pomiaru ciśnienia 78
Literatura 815. Systemy monitorowania parametrów powietrza w kopalni 83
5.1. Wstęp 83
5.2. Rozwiązania systemów gazometrii stosowanych w kopalniach podziemnych 84
Literatura 916. Gazy palne jako czynnik zagrożenia wybuchem 92
6.1. Wstęp 92
6.2. Ocena zagrożenia wybuchowego gazów 93
6.3. Metoda wskaźnika Le Chateliera 93
6.4. Metoda trójkąta wybuchowości 95
Literatura 987. Przemiany powietrza wilgotnego 100
7.1. Wstęp 100
7.2. Prawa powietrza wilgotnego 100
7.3. Zmiany stanu powietrza na wykresie i–x 108
7.4. Zmiany stanu powietrza w chłodnicach 111
7.5. Mieszanie powietrza 114
7.6. Ogrzewanie i chłodzenie powietrza w warunkach wymiany ciepła jawnego 116
7.7. Osuszanie powietrza 117
7.8. Nawilżanie powietrza 119
Literatura 1218. Pomiary wilgotności i temperatury powietrza 122
8.1. Pomiar wilgotności powietrza 122
8.1.1. Psychrometry 123
8.1.2. Czujniki elektryczne i mechaniczne 126
8.1.3. Higrometry punktu rosy 128
8.1.4. Zasady nadzoru i urządzenia do wzorcowania higrometrów 130
8.2. Pomiar temperatury powietrza 130
8.2.1. Termometry rezystancyjne 131
8.2.2. Termometry termoelektryczne 133
8.2.3. Zasady nadzoru i urządzenia do wzorcowania termometrów 135
8.3. Przyrządy do pomiaru parametrów fizycznych powietrza stosowane w górnictwie 135
8.3.1. Pomiar temperatury 136
8.3.1.1. Termometr górniczy 137
8.3.1.2. Pirometry i kamery termowizyjne 139
Literatura 1409. Obliczanie niezbędnej ilości powietrza w kopalni 141
9.1. Wstęp 141
9.2. Obliczanie niezbędnej ilości powietrza przy założeniu minimalnej i maksymalnej prędkości powietrza 145
9.3. Obliczanie niezbędnej ilości powietrza
ze względu na zagrożenie metanowe 146
9.4. Zapotrzebowanie na świeże powietrze w przypadku komór funkcyjnych (bez komór ładowania akumulatorów) 148
9.5. Zapotrzebowanie na świeże powietrze w komorach ładowania akumulatorów 148
9.6. Przewietrzanie wyrobisk otamowanych tamami śluzowymi 148
9.7. Przewietrzanie wyrobisk udostępniających i przygotowawczych 150
9.8. Straty zewnętrzne powietrza 151
9.9. Obliczanie ilości powietrza niezbędnej w całej kopalni 153
9.10. Obliczanie zapotrzebowania na powietrze w przodkach chodnikowych projektowanych i prowadzonych w polach metanowych 154
9.11. Obliczanie wydatku powietrza niezbędnego do przewietrzenia wyrobiska po użyciu materiałów wybuchowych 154
9.12. Określanie niezbędnej ilości powietrza ze względu na gazy z silników spalinowych 155
9.13. Określenie ilości powietrza z uwzględnieniem zagrożeń pyłowych 156
9.14. Obliczenie niezbędnej ilości powietrza w kopalni 157
Literatura 15810. Zagrożenie pyłowe w wyrobiskach górniczych 159
10.1. Wstęp 159
10.2. Czynniki wpływające na emisję pyłu w przodkach wyrobisk 160
10.2.1. Właściwości geologiczne i geomechaniczne górotworu 160
10.2.2. Właściwości technologiczne i techniczne drążenia wyrobisk 160
10.3. Zagrożenie pyłem szkodliwym dla zdrowia 163
10.3.1. Epidemiologiczny charakter pyłu węglowego 163
10.3.2. Czynniki kształtujące narażenie na szkodliwe oddziaływanie pyłu węglowego 164
10.3.3. Ocena ryzyka zawodowego wynikającego z narażenia na wdychanie pyłu węglowego 165
10.4. Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego 170
Literatura 17711. Warunki klimatyczne w podziemnych wyrobiskach górniczych 178
11.1. Czynniki wpływające na temperaturę powietrza kopalnianego 178
11.2. Wpływ temperatury górotworu na temperaturę powietrza kopalnianego 180
11.3. Wpływ innych czynników na temperaturę powietrza kopalnianego 182
11.3.1. Wpływ wentylacji stanowiska pracy na bilans cieplny pracownika 183
11.3.2. Komfort cieplny 184
11.4. Ocena warunków mikroklimatu w wyrobiskach górniczych 188
11.5. Metody prognozowania temperatury i wilgotności powietrza 191
11.6. Metody klimatyzacji wyrobisk górniczych w kopalniach podziemnych 197
11.6.1. Klimatyzacja lokalna 200
11.6.2. Klimatyzacja grupowa 203
11.6.3. Klimatyzacja centralna 208
11.7. Ocena stosowanych rozwiązań klimatyzacji w kopalniach polskich 211
11.8. Porównanie różnych rozwiązań instalacji klimatyzacyjnych odpowiednich do zabudowy w kopalniach 212
11.9. Free-cooling w klimatyzacji kopalń 213
11.10. Wybrane układy klimatyzacji centralnej w polskich kopalniach 215
11.10.1. KWK „Pniówek” 215
11.10.2. KWK „Budryk” 218
11.10.3. System klimatyzacji w ZG „Rudna” 219
11.11. Możliwości wykorzystania zawiesiny lodowej w instalacjach klimatyzacji centralnej 219
11.12. Przykład wykorzystania próżniowej wytwornicy lodu do klimatyzacji kopalń 223
11.13. Charakterystyka zawiesiny lodowej 225
11.13.1. Sposoby wytwarzania zawiesiny lodowej w przypadku klimatyzacji centralnej kopalń 227
11.13.1.1. Generatory próżniowe zawiesiny lodowej 227
11.13.1.2. Generatory mechaniczno-skrobakowe lodu 229
Literatura 23112. Zagrożenia metanowe i stosowana profilaktyka 232
12.1. Metan i jego związek z węglem 232
12.2. Ilościowy opis procesu sorpcji 233
12.3. Mechanizm procesu desorpcji 236
12.4. Dyfuzja jako sposób przenoszenia substancji sorbowanej w porach 237
12.5. Badania sorpcji i desorpcji metanu na węglu kamiennym 239
12.6. Oznaczanie metanonośności w pokładach węgla kamiennego 242
12.7. Zaliczenie złoża węgla kamiennego, soli i rud metali nieżelaznych do odpowiednich kategorii zagrożenia metanowego i zagrożenia wyrzutami gazów i skał
oraz ustalenie granic pola metanowego 247
12.7.1. Zagrożenie metanowe 247
12.7.2. Zagrożenie wyrzutami gazów i skał 248
12.7.3. Rozpoznawanie zjawiska wyrzutów skalno-gazowych w ośrodku porowatym jako ośrodku wielofazowym 251
12.7.4. Pole metanowe 253
12.8. Pozyskiwanie i utylizacja metanu z kopalń węgla kamiennego 255
12.9. Metody ograniczenia emisji metanu do atmosfery 257
12.10. Filtracja metanu do wyrobisk górniczych 259
12.11. Źródła wydzielania metanu do wyrobisk eksploatacyjnych 260
12.12. Metody prognozowania wydzielania metanu stosowane w polskich warunkach 263
12.12.1. Prognoza wydzielania metanu do chodnika korytarzowego 263
12.12.2. Metoda profesora Kozłowskiego 265
12.12.3. Metoda dynamiczna prognozowania wydzielania metanu 270
12.13. Systemy odmetanowania w kopalniach węgla kamiennego 273
12.13.1. Systemy odmetanowania stosowane w polskim górnictwie 274
12.13.2. Odmetanowanie w strefie robót przygotowawczych i udostępniających 276
12.13.3. Odmetanowanie wyprzedzające 277
12.13.4. Odmetanowanie przestrzeni otamowanych 279
12.13.5. Odmetanowanie eksploatacyjne 279
12.13.6. Wyznaczanie strefy desorpcji metanu wokół ściany eksploatacyjnej 281
12.13.7. Odmetanowanie ściany przewietrzanej systemem „U” 284
12.13.8. Odmetanowanie ściany przewietrzanej systemem „Y” 286
12.13.9. Odmetanowanie ściany z równoległego chodnika wentylacyjnego 287
12.13.10. Odmetanowanie ściany z chodnika wygradzanego (z obcinką) 289
12.13.11. Odmetanowanie ściany z nadległego chodnika drenażowego 290
12.13.12. Odmetanowanie w ścianie prowadzonej poprzecznie 293
12.13.13. Odmetanowanie zrobów 294
12.13.14. Inne sposoby prowadzenia odmetanowania 294
12.14. Efektywność odmetanowania w trakcie eksploatacji pokładów różnymi metodami 294
12.15. Metody odmetanowania stosowane w górnictwie światowym 296
12.15.1. Odmetanowanie stosowane w górnictwie amerykańskim 296
12.15.2. Odmetanowanie stosowane w górnictwie australijskim 303
12.16. Zagospodarowanie ujętego metanu 305
Literatura 30813. Dobór sposobu przewietrzania wyrobisk kopalnianych 311
13.1. Wstęp 311
13.2. Wentylacja opływowa 311
13.2.1. Przewietrzanie systemem „U” od granic pola eksploatacyjnego 314
13.2.2. Przewietrzanie systemem „Y” 314
13.3. Wyrobiska ścianowe przewietrzane systemami „U” i „Y” w warunkach zagrożenia metanowego 315
13.4. Rozwój systemów przewietrzania 319
13.5. Dobór systemu przewietrzania ściany w przypadku współwystępowania zagrożeń 319
Literatura 32214. Przewietrzanie drążonych wyrobisk korytarzowych 323
14.1. Zasady drążenia wyrobisk korytarzowych w kopalniach węgla kamiennego 323
14.2. Zasady wentylacji drążonych wyrobisk korytarzowych w kopalniach 324
14.2.1. Systemy przewietrzania wyrobisk 324
14.2.1.1. Wentylacja ssąca 326
14.2.1.2. Wentylacja tłocząca 326
14.2.1.3. Wentylacja kombinowana 327
14.2.2. Zwalczanie zapylenia powietrza w wyrobiskach korytarzowych 330
14.2.2.1. Instalacje zraszające 330
14.2.2.2. Instalacje odpylające 331
14.2.3. Wyrobiska przewietrzane za pomocą wentylacji lutniowej 334
14.3. Określenie ilości powietrza w przodku wyrobiska ślepego 336
14.3.1. Wydatek powietrza ze względu na jego prędkość w przekroju wyrobiska 336
14.3.2. Wydatek powietrza ze względu na zagrożenie metanowe 337
14.3.3. Wydatek powietrza ze względu na materiały wybuchowe 337
14.3.4. Wydatek powietrza ze względu na temperaturę 338
14.4. Sposób obliczania parametrów wentylacji lutniowej 339
14.5. Charakterystyka wentylatorów lutniowych 342
14.6. Prognoza temperatury powietrza w wyrobiskach korytarzowych z wentylacją lutniową 344
Literatura 34815. Sieć wentylacyjna kopalni 349
15.1. Wstęp 349
15.2. Schematy wentylacyjne kopalni 349
15.3. Klasyfikacja systemów przewietrzania 356
15.4. Klasyfikacja zagadnień dotyczących sieci wentylacyjnej 359
15.5. Równanie ciągłości i ruchu powietrza w sieci wentylacyjnej kopalni 361
15.6. Bezwymiarowy współczynnik oporu rozłożonego wyrobiska 363
15.7. Płyny nieściśliwe 365
15.8. Płyny ściśliwe 368
15.9. Opór aerodynamiczny wyrobiska 370
15.10. Pomiar straty naporu metodą pośrednią 372
15.11. Pomiar straty naporu metodą bezpośrednią 374
15.12. Opory elementów wentylacyjnych i ich połączeń 375
15.13. Szeregowe połączenie elementów 376
15.14. Równoległe połączenie elementów 378
15.15. Przekątne połączenie bocznic 379
15.16. Współczynniki oporów liniowych wyrobisk górniczych 381
15.17. Ruch powietrza w kopalni pod wpływem wentylatora głównego 385
15.18. Depresja naturalna w kopalni 388
15.18.1. Definicja depresji naturalnej 388
15.18.2. Termodynamiczny sposób wyznaczenia depresji naturalnej 391
15.19. Rozpływ powietrza w sieci wentylacyjnej 393
15.20. Sposoby obliczania sieci wentylacyjnej 395
15.21. Obliczenia potencjałów aerodynamicznych w węzłach sieci wentylacyjnej 398
15.22. Analiza stabilności prądów rejonowych 401
Literatura 40216. Dobór wentylatora głównego przewietrzania 403
16.1. Wstęp 403
16.2. Wentylatory i ich przeznaczenie 404
16.2.1. Wentylator promieniowy 405
16.2.2. Wentylator osiowy 407
16.3. Urządzenia stacji wentylatora głównego przewietrzania 407
16.4. Rewersja wentylacji w kopalnianej sieci wentylacyjnej 411
16.5. Charakterystyka wentylatora 413
16.6. Współpraca wentylatorów w sieci wentylacyjnej 415
16.7. Parametry pracy wentylatorów głównych 418
16.7.1. Regulacja pracy wentylatora głównego 418
16.7.2. Analiza stabilności i ekonomiczności współpracy wentylatorów głównych z siecią 420
Literatura 422Zakończenie 423